Rheologische Eigenschaften und Verschiebungsprinzipien gasbeladener Polymerschmelzen in Scherung und Dehnung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurden die rheologischen Eigenschaften von gasbeladenen Polymerschmelzen in Scherung und Dehnung untersucht. Die Abhängigkeit der Viskositäten von Druck, Temperatur und Treibmittelkonzentration ist für das Schäumen von Polymeren signifikant um das Verhalten von Materialien bei der Verarbeitung (Scherdeformation) sowie beim Expandieren des Schaums (Scherund Dehndeformation) beschreiben zu können. Hierzu wurde zum Einen mit einem Rotationsrheometer mit Druckzelle gearbeitet und zum anderen wurde ein Inline-Rheometer mit einer Schlitzdüse und einer hyperbolischen Düse entwickelt. Mit Hilfe des Rotationsrheometers mit Druckzelle wurden Messungen an Polystyrol und Polypropylen unter CO2-Atmosphäre bis 400 bar und einer maximalen Temperatur von 200 °C durchgeführt. Um die zeitabhängigen rheologischen Eigenschaften zu bestimmen, wurden Scheranlaufkurven bei konstanter Schergeschwindigkeit durchgeführt. Durch die kontinuierliche Diffusion des Treibmittels in das Polymer wird die Viskosität mit der Zeit reduziert. Es zeigte sich dabei eine Druckabhängigkeit. Durch Fließkurven-Messungen bei niedrigen Scherraten von 0,3 bis 10 1/s unter CO2-Beaufschlagung konnte der Einfluss des Treibmittels im für die Schaumexpansion relevanten Scherratenbereich quantifiziert werden. Durch Anwendung des Verschiebungsprinzips konnte die Reduktion der Glastemperatur von Polystyrol durch CO2 bestimmt werden. Durch Gaseinlagerung bei 180 °C und 400 bar Sättigungsdruck wurde die Scherviskosität von PP im nicht-linearen Bereich um über eine Größenordnung reduziert. Des Weiteren lies sich der Druck- und Gaskonzentrations-Verschiebungsfaktor mit der durch das Treibmittel reduzierten Kristallisationstemperatur korrelieren und mit Hilfe eines Arrhenius-Ansatzes quantifizieren. Im zweiten Projektabschnitt wurde ein Inline-Rheometer mit einer Schlitzdüse (Scherdeformation) und einer hyperbolischen Düse (Dehndeformation) entwickelt, mit dem die Viskosität unter Prozessrelevanten Bedingungen in der Schaumextrusion gemessen werden kann. Es lassen sich Temperatur, Treibmittelkonzentration, Druckhöhe und Deformationsrate unabhängig voneinander einstellen und Scherraten von 300 bis 5000 1/s sowie Dehnraten von 1 bis 10 1/s realisieren. In Scherung konnten so Verschiebungsfaktoren für Temperatur, Druck und Gaskonzentration von Polypropylen bestimmt werden. Der Druckeinfluss des Polypropylens ist hierbei aufgrund des niedrigen Glasübergangs und der Langkettenverzweigungen marginal. Im Gegensatz dazu reagiert die Scherviskosität sehr sensitiv auf die Gaskonzentration. Durch die Zugabe von 4 % CO2 bei 180 °C wurde die Scherviskosität auf 1/3 ihres Ausgangswertes reduziert. Die Viskositätsreduktion durch Temperaturerhöhung liegt in gleicher Höhe. Es zeigt sich, dass eine Temperatur-Erhöhung von 40 K einer Erniedrigung der Viskosität mit 6 % Gasbeladung bei 180 °C entspricht. Auch zeigt sich eine gute Vergleichbarkeit zwischen den Ergebnissen der Druckzelle und des In-Line-Verfahrens unter Gasbeladung sowie zu Standard-Messmethoden ohne Gasbeladung. Mit Hilfe des Druckabfalls in der hyperbolischen Düse des Inline-Rheometers konnte die Dehnviskosität berechnet werden. Es zeigt sich, dass Polypropylen eine um etwa drei Dekaden höhere Dehn- als Scherviskosität besitzt. Des Weiteren zeigte sich, dass die Druckabhängigkeit wesentlich stärker ausgeprägt ist, als die Gasabhängigkeit.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Rheological properties and superposition principles of polymer melts diluted with a blowing agent, Macromolecular Rapid Communications, Special Edition Makromolekulares Kolloquium, Freiburg i. Br., 2011
Handge, U.A., Altstädt, V.
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Viscoelastic properties of solutions of polystyrene melts and carbon dioxide: Analysis of a transient shear rheology approach, Journal of Rheology, Vol 56(4), 743-766, 2012
Handge, U.A., Altstädt, V.
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Effect of rheological properties on the foaming behaviour of PBT – Influence of supercritical CO2, pressure and flame retardant, Proceedings of the 29th Annual Meeting of the Polymer Processing Society (PPS29), 2013
Raps, D., Köppl, T., Heymann, L., Altstädt, V.
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In-line rheology of gas-loaded polymer melts – The key for understanding the foaming process, Blowing Agents and Foaming Processes 2013 Conference Proceedings, iSmithers Rapra Publishing, ISBN 978-1-909030-42-8, 2013
Köppl, T., Raps, D., Altstädt, V.
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In-line rheology of gas-loaded polymer melts – The key for understanding the foaming process, Proceedings of the 29th Annual Meeting of the Polymer Processing Society (PPS29), 2013
Köppl, T., Raps, D., Altstädt, V.
